Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwerfälliger Stromfluss könnte Weg zu energiesparenden Computern weisen

27.01.2016

Computer und andere elektronische Geräte haben heute einen beträchtlichen Anteil am weltweiten Energieverbrauch. Mit den heute genutzten Technologien lässt sich dieser Verbrauch aber kaum senken, sodass die Chips in den energiesparenden Geräten der Zukunft aus neuartigen Materialien bestehen werden. Neueste Forschungsergebnisse aus dem Paul Scherrer Institut PSI geben Hinweise darauf, wie man zu solchen Materialien kommen könnte.

Dafür haben Forschende ein Material untersucht, das an sich bereits die nötigen Merkmale hat: Es ist magnetisch und kann elektrischen Strom ganz ohne Widerstand leiten. Der Nachteil: Es hat diese Eigenschaften nur bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen man keine Computer betreiben könnte.


Prinzip des Experiments, bei dem der Stromfluss tief im Inneren eines Materials untersucht wurde.

Grafik: Claudia Cancellieri


Die Forschenden Claudia Cancellieri und Vladimir Strocov am Messplatz ADRESS der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Bei realistischen Temperaturen dagegen fliesst der Strom in dem Material ausgesprochen schwerfällig. Mit Hilfe von Experimenten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts konnten die Forschenden die Ursachen für den erschwerten Stromfluss bestimmen.

Diese Ergebnisse dürften nun helfen, gezielt neue Materialien zu entwickeln, die auch bei höheren Temperaturen die besonderen Eigenschaften behielten und so in zukünftigen Computern zum Einsatz kommen könnten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden im Fachjournal Nature Communications.

Den Energieverbrauch elektronischer Geräte zu reduzieren ist eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung der Elektronik der Zukunft. So verbrauchen zum Beispiel die riesigen Rechenzentren, die hinter Internet-Suchmaschinen oder sozialen Medien stehen, so viel Energie wie eine Grossstadt.

Energiesparende Computer setzen aber eine fundamentale Wende voraus: neuartige Materialien werden die Halbleiter ersetzen müssen, die in den vergangenen Jahrzenten die Grundlage aller elektronischen Geräte bilden – vom frühen Transistorradio bis zum Smartphone.

„Zu den besonders vielversprechenden Kandidaten gehören die Oxide – komplexe Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff“, erklärt Vladimir Strocov, leitender Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut PSI. „So könnten elektronische Bauelemente aus bestimmten Oxiden die Funktion der heutigen Transistoren übernehmen und würden dabei nur einen kleinen Bruchteil der Energie verbrauchen.“ Transistoren sind auf heutigen Mikrochips milliardenfach vertreten und verantworten einen grossen Teil des Energieverbrauchs der Chips.

Materialverzerrung sorgt für trägen – oder ungehinderten – Stromfluss

Strocovs Forschungsteam hat nun gemeinsam mit Kollegen der ETH Zürich und des japanischen Forschungsinstituts RIKEN ein Material untersucht, das eigentlich die nötigen Eigenschaften für den Einsatz in diesen Bauteilen mitbringt: Es ist magnetisch und supraleitend, kann also elektrischen Strom ganz ohne Widerstand leiten.

Der Nachteil: Es hat diese Eigenschaften nur bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen sich kein Computer betreiben lässt. Erhöht man die Temperatur, wird der Stromfluss in dem Material hingegen ausgesprochen schwerfällig. Wie sie in einer Studie im Fachjournal Nature Communications berichten, konnten die Forschenden nun die Ursachen für den erschwerten Stromfluss bestimmen.

„Für diesen ist offenbar dasselbe Phänomen verantwortlich, das bei tiefen Temperaturen den Strom ungehindert fliessen lässt“, erklärt Strocov. „Unsere Ergebnisse könnten daher helfen, gezielt neue Materialien zu entwickeln, die auch noch bei höheren Temperaturen für die neuartigen Bauteile geeignet wären und so in zukünftigen Computern zum Einsatz kommen könnten.“

Wenn durch ein Material ein elektrischer Strom fliesst, bedeutet das, dass sich Elektronen durch dieses Material bewegen. Das Gerüst solcher Materialien bilden regelmässig angeordnete, wenig bewegliche Ionen. „Die Elektronen, die im Material fliessen, ziehen die Ionen zu sich und verzerren so das Gerüst“, erklärt Claudia Cancellieri, die als PSI-Wissenschaftlerin an der Studie beteiligt war, jedoch mittlerweile an der EMPA tätig ist.

„Diese Ionen ziehen dann wiederum die Elektronen an und bremsen sie auf diese Weise aus.“ Offenbar lässt die gleiche Verzerrung das Material aber bei tiefen Temperaturen supraleitend werden. „In einem Supraleiter finden Elektronen zu Paaren zusammen und können sich dann gemeinsam ungehindert durch das Material bewegen. Bei tiefen Temperaturen sorgt die Verzerrung des Materialgerüsts dafür, dass sich die Elektronen paarweise verbinden“, so Cancellieri.

Mit diesem Wissen könnten Forschende ähnliche Materialien gezielt so verändern, dass sie auch bei höheren Temperaturen supraleitend bleiben. Ein Ansatz ist dabei, mithilfe spezieller nanotechnolgischer Verfahren einzelne Sauerstoffatome in dem Material durch Atome eines anderen Elements zu ersetzen, die zusätzliche Elektronen mitbringen.

Strom tief im Material beobachtet

Das Material, das die Forschenden in ihren Experimenten untersucht haben, ist nicht ein einzelnes Oxid, sondern die Kombination von den zwei Oxiden mit den chemischen Formeln LaAlO3 und SrTiO3. Dabei leiten die beiden Oxide einzeln keinen Strom, fügt man sie aber zusammen, kann entlang der Grenzfläche Strom fliessen.

Allgemein kann die Verbindung von zwei Oxiden neuartige Eigenschaften haben, die in zukünftigen Geräten nützlich sein könnten. Den Stromfluss an der Grenzfläche zwischen den Materialien haben die Forschenden mit hochenergetischem Synchrotronlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts gemessen. Der hiesige Messplatz „ADRESS“ ist weltweit führend, wenn es um solche heraufordernden Experimente geht.

Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio.


Kontakt/Ansprechpartner:

Dr. Vladimir Strocov, Forschungsgruppe Spektroskopie neuartiger Materialien,
Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 53 11, E-Mail: vladimir.strocov@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Polaronic metal state at the LaAlO3/SrTiO3 interface
C. Cancellieri, A.S. Mishchenko, U. Aschauer, A. Filippetti, C. Faber, O.S. Barišić,
V.A. Rogalev, T. Schmitt, N. Nagaosa and V.N. Strocov
Nature Communications, 27. Januar 2016
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS10386

Weitere Informationen:

http://psi.ch/ZZhK Medienmitteilung auf der Seite des PSI mit ausführlicher Bildlegende

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase
28.05.2020 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

nachricht 3D-Gebärdensprach-Avatar als Sprachassistent zur automatisierten Gebärdenübersetzung
28.05.2020 | Universität Augsburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Im Focus: Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase

Im Rahmen des EU-Projekts LEA (Large European Antenna) hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg gemeinsam mit den Unternehmen HPS GmbH und Iprotex GmbH & Co. KG ein reflektierendes Metallnetz für Weltraumantennen entwickelt, das ab August 2020 in die Produktion gehen wird.

Beim Stichwort Raumfahrt werden zunächst Assoziationen zu Forschungen auf Mond und Mars sowie zur Beobachtung ferner Galaxien geweckt. Für unseren Alltag sind...

Im Focus: Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

In lebenden Zellen treiben Enzyme biochemische Stoffwechselprozesse an. Auch in der Biotechnologie sind sie als Katalysatoren gefragt, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen. Forscher haben nun ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen.

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese...

Im Focus: Biotechnology: Triggered by light, a novel way to switch on an enzyme

In living cells, enzymes drive biochemical metabolic processes enabling reactions to take place efficiently. It is this very ability which allows them to be used as catalysts in biotechnology, for example to create chemical products such as pharmaceutics. Researchers now identified an enzyme that, when illuminated with blue light, becomes catalytically active and initiates a reaction that was previously unknown in enzymatics. The study was published in "Nature Communications".

Enzymes: they are the central drivers for biochemical metabolic processes in every living cell, enabling reactions to take place efficiently. It is this very...

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wie sich Nervenzellen zum Abruf einer Erinnerung gezielt reaktivieren lassen

29.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Wald im Wandel

29.05.2020 | Agrar- Forstwissenschaften

Schwarzer Stickstoff: Bayreuther Forscher entdecken neues Hochdruck-Material und lösen ein Rätsel des Periodensystems

29.05.2020 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics